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笔记《模块化建筑围护结构设计-美国的经验教训》

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综述
与传统的木结构框架相比,模块化木结构框架的许多优点被业界普遍接受:提高质量控制、室内施工、更短的项目进度、偏远地区的服务能力,以及在某些情况下有利的劳动力和材料价格。尽管有这些优点,但需要特别注意建筑模块内部和模块之间的建筑外壳组件的集成和组装,以确保这些模块化建筑的性能满足所有相关方的期望。本文将重点研究木框架住宅建筑围护结构的热量、空气和湿度控制功能,并将这些概念应用到模块化建设的实际中。(朱明点评:在中国需要把wood frame换成steel frame)具体来说,本文将通过最近完成的两个模块化建设项目的设计和施工,详细阐述经验教训。第一个项目是一个多单元宿舍,位于一个孤立的北方气候,包含超绝缘组件和被动式住宅认证,要求高性能建筑外壳。第二个项目是旧金山湾区的一个多单元、面向交通的经济适用房开发项目。本文将告知设计师和建筑商建筑围护结构设计的考虑因素和模块化施工的具体挑战。

背景资料
模块化施工是一种预制方法,其中三维生活空间在场外建造,运输到现场,并组装成最终的建筑结构。在预制率的一端,模块可以只包含主要的结构元素(墙、地板等);然而,我们越来越多地看到带有工厂建造的窗户和围护系统的模块化单元;机械、电气和管道系统;以及完整的室内装饰。模块化结构在意图上类似,但在规模上不同于单元化、镶板化和组件式结构,后者是在场外建造较小的建筑构件,如单元化幕墙、镶板化墙壁包层系统或预制屋顶桁架。
据报道,模块化施工有许多优点:更短的施工进度,工厂环境中有利和安全的工作条件,更好的质量控制,减少材料浪费,减少由于天气造成的时间损失。从业主的角度来看,模块化建筑最吸引人的优势之一是更大的财务潜力,由于模块是在现场之外建造的,初步的现场工作和模块化生产可以并行进行,降低了与施工一般条件相关的成本。模块化建筑研究所报告称,公寓楼和学生公寓等商业住房可以在不到90天内建成并准备入住(MBI, 2015)。犹他大学(University of Utah)主任兼副教授瑞安·e·史密斯(Ryan E. Smith)对模块化住房进行的一项研究得出结论,与传统建筑方法相比,模块化住房平均成本节约16%,工期减少45% (Smith, 2015)。例如,纽约布鲁克林的麦克杜格尔公寓综合体(MacDougal Apartment Complex)是一个六层的模块化住宅项目,由84个模块组成的65个单间公寓组成。这些模块是在附近的一个设施建造的,并在创纪录的12天内被放置在现场(MBI, 2012)。

与嵌板和单元组件结构一样,模块化结构特别适合重复设计,因为相同的两三个布局可以重复。生产线的效率是通过重复的材料切割、工人任务和类似尺寸模块的轻松处理来实现的。随着更多定制的非重复性设计的实施,与模块化结构相关的潜在效率降低了。模块化的非现场施工可能有利的其他情况包括远程项目地点以及项目地点存在劳动力短缺的情况。
鉴于模块化结构的所有这些明显的好处,永久性模块化结构只占北美市场份额的2.93%可能会让人感到惊讶(MBI, 2015)。一些常见的缺点包括与重复设计相关的建筑限制,与雨和其他元素的临时保护相关的成本,以及固有的双层厚的墙壁和地板,这意味着空间的损失和额外的材料成本。


建筑围护结构的功能
无论是建筑类型还是建筑方法,建筑围护结构的功能要求都是一样的:建筑围护结构需要提供室内外空间之间的环境隔离。建筑围护结构除了抵抗和传递结构荷载外,还需要控制以下要素:

渗水

热流

气流和漏气

水汽扩散和凝结积累

火与烟

光、太阳能和其他辐射

噪音

建筑围护结构当然还具有其他一些功能,包括提供安全、隐私、视野和主要的建筑美学;然而,上面的列表代表了与建筑科学和建筑围护工程相关的关键性能方面。
外墙内使用各种材料来实现上述控制功能。术语临界屏障可以用来指材料和部件一起执行特定的控制功能,这是建筑围护系统按照预期执行所必需的。下面列出了通常被认为是关键障碍的部分列表,以及它们与不同建筑围护结构控制功能的关系图1所示。


图一 建筑围护结构控制功能与常见关键障碍之间的关系

模块化结构的挑战
在组件内部和组件之间、细节之间以及其他过渡处,各种关键屏障的连续性是必要的,以确保建筑外壳的功能符合预期。现场施工的顺序和分段通常允许在整个施工过程中对每个关键障碍进行顺序安装、现场检查和质量控制。例如,可以在覆层安装之前完全安装一层兼具空气和防水屏障作用的护套膜(水脱落表面(WSS))。水控制层也可以很容易地安装在瓦搭接方式,以最大限度地减少水渗透在接头的风险。此外,防水屏障(WRB)的安装通常在内部饰面和其他气候敏感组件安装之前完成。事实上,在你的建筑的屋顶膜和墙WRB完成是一个常见的里程碑在传统的现场建设。
相比之下,模块化结构,内部饰面通常安装在模块中,并在建筑的四面风化之前交付到现场,因此大大增加了施工期间的水损害风险(除非每个模块都覆盖在所有的六面)。业主或建筑管理人员不会考虑其他类型的建筑,在屋顶和水浸墙完成之前,让易受湿气影响的室内饰面进行施工。在模块化结构中,最容易被忽视的是相邻模块之间的连接。虽然每个模块内的关键障碍的连续性通常可以在工厂安装期间轻松实现,但模块之间的连接需要以下额外的协调计划来实现连续性,按一般的重要性顺序列出
1. 施工过程中如何临时保护水平和垂直接缝不受雨水渗透。还需要一项应急计划,以应对雨水可能渗透到各单元之间的临时防护层。
2. 如何密封模块单元之间的接头:
如何实现WRB的搭接安装或减少与反向搭接相关的风险。
如果包层是工厂安装的,如何在垂直接缝处提供铺瓦搭接或保护填充包层。
协调结构附件,并计划模块将如何吊起和安装与建筑围护结构组件和连接细节。
3.评估和计划,以适应现场建造的基础、结构组件和工厂建造模块之间的施工公差,包括模块之间的连接开口。
4. 与单体幕墙等其他工厂化施工类似,需要一个全面的质量保证和质量控制(QAQC)计划,以验证各种建筑围护构件的安装满足项目的性能要求。
5. 现场QAQC计划,包括由经验丰富的建筑围护专家或空气屏障技术人员进行现场审查,以确认接缝已按要求密封,并在施工过程中出现问题时迅速提出建议。

第1项对所有项目都至关重要,但对于高层建筑或大型楼层规划尤其具有挑战性,因为这些模块暴露在环境中的时间较长。
加拿大蒙特利尔的Habitat 67项目(图2)的特点是模块单元之间的垂直和水平偏移量,很难对接头进行暂时和永久的可靠保护,防止水的入侵(Guardian, 2015)。

图2。人居67,模块化项目,加拿大蒙特利尔世博会

第2项要求在设计阶段从设计和规划双方的输入和计划施工队伍。我们的第二个案例研究以一个项目为特色,该项目最初被规划为一个模块化项目,并且在集成设计方法的早期就仔细考虑了如何详细说明模块之间的连接。相比之下,我们的第一个案例研究以一个项目为特色,该项目最初被规划为现场建造,因此很少为模块之间的连接提供规划。
第3项的重要性取决于项目的复杂性。例如,纽约布鲁克林的大西洋庭院B2大厦被设想为世界上最高的32层模块化建筑(图3)。实现这一记录的计划是在现场建造一个钢框架,然后将模块化单元安装到框架中。然而,该项目的完工被推迟了2年,目前正在进行诉讼。据报道,主要问题是在设计时没有考虑模块单元和结构钢框架之间的施工公差,需要大量的现场修改。据说也有广泛的水渗漏在施工期间由于公差在单位和之间的关节也由于暂时的困难保护每层楼的天花板网站时在高层钢结构框架上上面延伸和渗透任何临时保护(抑制了纽约,2015)。


图3。大西洋庭院2号楼,33层模块化高层项目在布鲁克林,纽约


第4条适用于所有工厂生产的产品或系统。对于工厂制造的系统,在现场安装系统后,几乎没有能力修改或纠正缺陷。因此,拥有并实施工厂的qqc计划对模块化建设的成功至关重要。工厂生产也并不一定意味着更好的质量。在我们的第一个案例研究中,我们发现窗户和窗扇是由有木工和石膏板安装经验的商人安装的,而不是窗户和WRB安装。安装中的错误需要对窗口安装进行大量的现场修复,包括删除和重新安装许多窗口。
第5项要求现场有建筑科学专家或技术人员,他们最好也有组装模块的经验。现场装配模块化(和其他一体化系统)的速度非常快,因此在现场配备能够快速响应问题或意外现场情况的人员非常重要。

案例研究1:加州的经济适用房
第一个案例研究项目是由San的一家经济适用房公司发起的旧金山海湾地区。这个五层的综合体是一个多功能项目,包括二层到五层的115个公寓单元,两层以下的停车场,以及一层由传统的现场建造的店面零售商店(图4和5)。

图5。案例研究#1:部分平面图(虚线表示公共中心走廊)

该项目最初的构思是传统的交付和现场建造。然而,随着施工时间的临近,显而易见的是,旧金山湾区市场已经从2008年的衰退中复苏,劳动力和材料成本由于需求上升而迅速上升。业主在设计过程的后期决定将项目从现场建造转换为模块化,以减少和控制这些上升的劳动力成本。由于这是一个混合用途的建筑,停车场和零售将在现场建造,有一个冗余的行业,如石膏板安装在工厂和现场工作。冗余的贸易和现场劳动力降低了成本节约,然而,项目的住宅部分采用模块化设计所节省的时间和劳动力仍然可以为业主带来可观的节省。

工厂生产
模块是在90英里外的萨克拉门托的一家工厂建造的,然后用卡车运到现场(图6和7)。内部装饰的水平因单个模块化项目而异,从开放的螺栓框架到完成的地板、橱柜和固定装置。该项目指定了高水平的预制,模块包括大多数室内饰面,如油漆干墙、木制品、强化地板和电器。

图6。案例研究#1:工厂建设进度照片
图7。案例研究#1:现场吊装和坐封装置

窗户和窗户周围的WRB是在工厂安装的,但模块的顶部和侧壁没有使用WRB保护。外部包层设计为水泥石膏,并将现场安装,以减少运输过程中石膏开裂的风险,并允许石膏持续覆盖模块之间的接头。总的来说,窗户系统的安装质量低于我们通常在现场施工中看到的质量。根据我们的观察,这更多的是由于工人经验有限和为了保持装配线运转而匆忙工作的因素。例如,窗闪序列为13级雨幕闪序列,由安装在带有自粘膜闪的凹口的凸缘窗和集成排水膜窗台盘组成。工厂里有20个站点,每个模块在一个站点停留大约两个小时。每一项任务都必须分解成能在两小时内完成的步骤。有时工作人员会随着模块移动来跟踪一个任务,而其他时候,任务将由不同的工作人员继续执行。经验不足的窗户安装人员发现很难在短时间内有效地安装自粘膜,尽管在设计包中有详细的建造顺序细节,但显然所有的安装人员或QC工人并没有理解完整的概念。尽管有这些详细的安装顺序,最终的安装仍存在缺陷,必须在现场进行修复,包括闪蒸间隙、闪蒸片缺失、密封剂缺失或不完整、内部空气和水封、窗户垫片不当以及闪蒸膜切割(图8)。


图8。案例研究#1:工厂安装的窗帘的缺陷包括膜上的切口、帐篷和需要现场纠正的缝隙
图9。案例研究#1:案例标高记录工厂安装的窗户安装所需的广泛现场维修

图9显示了在项目的一个高程的第二层所观察到的所有缺陷。其中一些缺陷需要拆除窗户和闪光装置并重新安装,这是一个耗时和劳动密集型的过程。材料短缺加剧了延迟,并将资源从工厂转移到现场来完成模块。大约在模块施工进行到一半的时候,模块制造商确定,按照施工文件的规定,在该站的预算时间内无法充分安装窗户,因此,窗户的安装必须在现场进行修正。换句话说,为了满足他们的合同交付时间表,模块化制造商承担了在现场纠正窗口安装错误的额外成本,从而降低了模块化结构的承诺效益。


运输和安放
在工厂组件安装完成后,第一个完成的模块被包裹在塑料中,以临时保护免受恶劣天气和损坏,然后运输到现场(图10)。最初的计划是在很少下雨的夏季完成、运输和运输模块。旧金山湾区也经历了两年的严重干旱,这似乎进一步降低了施工期间下雨的风险。然而,第一批货物大约比计划晚了2个月,第一批货物是在2015年秋季到达的,当时由于艾尔尼诺天气模式,降雨量高于正常水平。
第一层模块将被放置在三英寸高的混凝土路沿上,然后,随后的水平层堆叠在顶部(图7)。带有底座公连接器和顶部母连接器的模块上的螺栓连接板可以实现正连接,但为调整和超差施工留下了有限的空间。模块的尺寸是在工厂设置的,必须与现场条件一致,如管道堵塞和模块限制,因此现场和工厂工作人员都必须遵守精确的尺寸公差。在模块放置期间出现了几个超差问题,包括
管道堵塞和管道在板没有对准模块管道(图11)。
当设置更多的模块时,模块的重量会导致板偏转,导致路缘和模块之间的间隙需要填充。
有几个模块在一维中长或短可达一英寸。偏移距离计划通过改变这些位置的灰泥包层厚度或其他装饰材料来调整。即使有斜面来逐渐减少灰泥,由于这些位置的厚度突然变化,灰泥可能会有开裂的风险。

图10。案例研究#1:尽管被包裹在塑料中,暴雨导致一些单元在运输过程中被水损坏
图11。案例研究#1:通过板条和凸缘的未对准的管道穿透临时雨保护

在设计阶段,由于成本限制和夏季安装计划,我们建议在工厂的墙壁和屋顶上使用防水膜来完全防止天气变化的模块没有被接受。请注意,在每个单元上覆盖完全防水的临时屋顶膜需要在每个模块上覆盖连续的胶合板或石膏板基材,这进一步降低了模块化施工的成本效益。
承包商使用防水布和塑料对安装的模块进行临时防风雨,但当第一场大雨来袭时,证明这是不够的。水从临时屋顶的缝隙中渗出,在模块单元放置后,通过暴露的墙壁和模块接头,并聚集在模块下的混凝土甲板上,困在周边的路缘之间。内部饰面和随后的模具严重的水损坏要求拆除所有石膏墙板和保温材料(图12)。橱柜、电器设备、台面和水槽被移走并储存起来,如果它们可以回收的话。储存在模块中的材料,如地毯,已经饱和,无法使用。水也通过电气管道和机械管道工作。

图12。案例研究#1:施工期间的水入侵需要大量拆除内部饰面尤其具有抗风雨性的是一排排模块之间的公共走廊。

在遭受大面积水灾后,总承包商建造了一个用防水布包裹的斜屋顶,可以在每层模块安装完毕后临时安装(图13)。这个临时屋顶结构随后被拆除,并在随后的每一层模块安装后重新安装。

图13。案例研究#1:改进施工期间的临时防雨设施

这个项目在这个时候花费的时间和传统的现场建造的时间一样长,甚至更长。我们可以从这个项目中吸取一些重要的教训:

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作者: ganggouren

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